[發明專利]一種仿生耦合軌道車輛制動盤

無效

• 申請號: 201110293682.6
• 申請日: 2011-10-04
• 公開（公告）號: CN102352901A
• 公開（公告）日: 2012-02-15
• 發明（設計）人: 張志輝;任露泉;周宏;常芳;周倜;楊肖;王亮
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: F16D65/12
• 分類號: F16D65/12;F16D69/02
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 朱世林;王壽珍

技術領域

本發明涉及一種用于軌道車輛領域具有仿生耦合耐磨、抗疲勞、抗龜裂效果的高效高壽命制動盤。

背景技術

隨著國民經濟的快速發展，鐵路客貨運輸量迅速增加，鐵路運輸的高速化和重載化已成為必然的發展趨勢。列車速度的不斷提高，載重量的日益增加，對制動裝置及其安全保障也提出了更高、更新的要求，對列車制動的關鍵部件——制動盤的性能和壽命提出了越來越嚴格的要求。據調查，我國原有普通軌道列車制動盤維修車輛段采用的經驗報廢標準為最大裂紋長度不超過50mm，裂紋距制動盤邊緣不小于10mm，制動盤厚度不小于112mm，單邊磨損不超過7mm，然而現有高速列車制動盤因熱裂和磨損嚴重，壽命大大縮短。為避免制動盤的早期失效而發生惡性事故，部分尚未嚴格達到報廢標準的制動盤也不得不提前報廢。為保障安全行車，產生足夠的制動力矩，制動盤數量由原先的每根車軸2個增加到每根車軸3個，或是在多個位置增加制動軸和制動盤總套數。但仍然達不到國家所規定的對制動盤使用壽命的要求(達到7.5年或運行總里程240萬公里進行大修)，特別是那些長期行駛在山區等路況較差地區的軌道車輛，需頻繁制動剎車，制動盤的維修更換周期更短，造成人力、物力、財力的極大浪費，大大增加了運營成本。

雖然目前用于高速鐵路列車的基礎制動方式有很多種，如摩擦制動、電阻制動、磁軌/渦流制動等，但在緊急情況下，要使高速運動中的列車在很短的時間停下來，摩擦制動仍然是一種重要而有效的制動方法。利用運動表面相接觸時所產生的摩擦阻力達到減速或終止運動的方式稱為摩擦制動或者機械制動。歐洲鐵路聯盟UIC規定：高速列車行駛時，應能在摩擦制動的單一作用下，在規定的制動距離內停車，其目的是在動力制動發生故障時也能保證列車運行安全。可見，保障摩擦制動的可靠性和制動效能，提高制動盤的摩擦磨損性能和抗疲勞止裂性能，是軌道車輛零部件技術發明和創新的重要環節。

為提高制動盤的上述性能，國內外的傳統方法幾乎全部局限于針對制動盤材料或制備工藝的優化研究。這些材料包括：通過減輕列車簧下重量，降低牽引功率耗損的顆粒增強鋁基復合材料和陶瓷材料制動盤；通過提高制動盤的熱機械性能，以減少盤數的C-C復合材料制動盤。制備工藝的改善主要依賴于針對熱處理工藝進行調節。這些方法的局限性在于，①僅局限于制動盤材料因素的改進與優化，設計與制備方法單一，不同的制動盤材料具有不同的局限性；②研究方法僅改善材料單一方面性能，或因提高了一方面性能，卻導致另一方面性能的下降；③一些新材料研究存在制造成本過高，資源浪費嚴重，材料脆性大，不易實現大體積部件制造等問題。為了調和摩擦系數和減少磨損量的矛盾關系，國內外進行了很多相關的研究，也取得了一定的進展。如添加合金元素，通電流改善組織性能等，但是成本也隨之升高，迄今為止還沒有一種方法能使這些性能同時改善。

從影響制動盤失效的多種因素和耐磨抗疲勞的多種角度出發，制動盤表面的耐磨抗疲勞性能研究是否可打破傳統僅針對盤體材料研究的界限，進行盤體材料、表面形態和表層結構的多因素協同研究，進而在制動盤表面獲得優異的力學性能組合以及高的磨損和疲勞抗力？該研究構思在自然界生物的耦合現象中找到了答案。

發明內容

本發明的目的是提供一種仿生耦合軌道車輛制動盤，他是在普通制動盤表面局部區域構建形狀、結構、組織、材料等多元耦合作用的仿生功能單元，并實現有益于功能實現的仿生單元多種形態分布，利用多因素仿生耦合的辦法同時改善軌道車輛制動盤表面的耐磨性能、抗疲勞能力性能和摩擦性能，有效提高制動盤的工作效能和服役壽命。

經過20億年的進化，自然界中的很多生物具有適應環境生存的特殊體表，研究表明，很多生物體表都存在幾何非光滑和珍珠層特征，即一定幾何形狀的結構單元隨機或規律的分布于其體表某些部位，其結構單元有條紋形、凸包形、樁釘形等。這些分布在生物體表的結構單元使生物有特殊的性能，比如蚯蚓體表能承受土壤的擠壓和磨損，海螺表面的交叉層片結構能有效阻止裂紋擴展，隨著仿生學研究的不斷發展，研究人員發現，生物體適應環境生存的各項機體功能，不僅僅是單一因素作用或多個因素的作用的簡單線性相加，而是如同整個系統的優化組合，即由多種因素相互依存、互相影響，通過一定的機制耦合、協同的作用。仿生耦合表面的設計是借鑒生物表面形態、結構、組織、成分的相互耦合作用通過對仿生耦合單元體的形狀、尺寸、分布規律、數量等幾何參數進行優化設計，達到同時改善材料表面多種性能的目的。